MAPK信号通路调控植物响应非生物胁迫的研究进展

刘 晨，曹小汉，殷丹丹，杨 婧，张宁宁，任莉萍*

(1.江苏丘陵地区南京农业科学研究所，江苏南京 210046；2.阜阳师范大学生物与食品工程学院，安徽阜阳 236037)

相对于动物而言，植物在整个生命过程中通常都是无法移动的。植物所生长的外界环境和其内部信号因子又会时时刻刻影响着植物的生长发育进程。其中非生物胁迫是严重影响植物生命活动的逆境之一，包括干旱胁迫、极端温度、营养匮乏、盐害、机械损伤以及土壤中有毒金属的毒害等。近年来极端天气越来越频繁地出现，非生物胁迫对农业生产的不利影响日益加剧，植物也面临着更加严峻的挑战。植物为了在复杂且多变的外界环境作用下正常生长，进化出多个复杂而完善的信号转导和响应胁迫的调控网络。因此，探索植物对外界非生物胁迫信号的感知和响应，对于培育优良抗性的新品种，进而降低水肥消耗，减少环境污染，促进农业绿色可持续发展具有重要的理论指导意义。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联信号通路广泛存在于真菌、动物和植物中。近年来，科研工作者开展了大量有关MAPK信号通路的研究，发现植物在受到外源信号刺激后，利用多种机制将促分裂原活化蛋白的激酶激酶激酶(MAPKKK、MKKK/MEKK、MAP3K)激活，活化的MAPKKK通过磷酸化激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶(MAPKK、MEK/MKK)，进而激活促分裂原活化的蛋白激酶(MAPK、MPK)。MAPK被磷酸化后可以进一步激活下游蛋白激酶和转录因子(如WRKY)等底物，这些激酶或转录因子可以通过调控相应功能基因的表达等方式，使植物细胞对外源信号产生特定的生理生化反应以应对环境变化。根据蛋白催化区域氨基酸序列及结构的差异，将MAPKKK分为Raf、MEKK和ZIK 3类。其中，Raf类的催化区域氨基酸序列为GTxx(W/Y)MAPE，MEKK类具有G(T/S)Px(W/Y/F)MAPEV保守结构域，ZIK类具有GTPEFMAPE(L/V)Y保守结构域。拟南芥是评价植物基因复杂性的蓝图，它含有80个MAPKKK基因，其中21个属于MEKK类，11个属于ZIK类，48个属于Raf类。根据MAPKK蛋白结合、激活区的结构及氨基酸序列的差异，可将其分为A、B、C、D 4个亚型。MAPKK的氨基末端通常都有1个假定的MAPK对接结构域K/R-K/R-K/R-X1-6-L-X-L/V/I。A、C、D 3个亚型的MAPKK编码相对较短的蛋白质，而B亚型成员的羧基末端结构域与介导RanGDP核输入的NTF2(NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2)同源。与MAPKKK相比，植物中的MAPKK基因数量较少。在拟南芥基因组中有10个MAPKK，其中有3个A亚型(MKK1、MKK2和MKK6)，1个B亚型(MKK3)，2个C亚型(MKK4和MKK5)，4个D亚型(MKK7、MKK8、MKK9和MKK10)。MAPK是整个MAPK级联系统的最下游的蛋白激酶。植物中的MAPK含有11个保守的亚结构域，在第七、八结构域间有1个三肽模块，即TxY基序，是被MAPKK磷酸化的位点。TxY基序位于蛋白质三维结构的T环结构(T-loop)上，它也是ATP的结合位点。MAPK的激活是通过上游的MAPKK同时磷酸化TXY基序中的苏氨酸(Thr)和酪氨酸(Tyr)残基。根据被MAPKK磷酸化的保守TxY基序(x通常为Glu/Asp)，植物中的MAPK蛋白分为TEY和TDY 2个亚家族。含有TEY基序的亚家族又分为A、B、C 3类，含有TDY基序的MAPK是植物所特有的，组成了D类。

目前已有大量的研究表明，MAPK信号通路与植物响应非生物胁迫有着密不可分的关系，并在增强植物抗逆性方面起着至关重要的作用。该途径可以通过磷酸化将非生物胁迫信号逐级放大、传递，以此来参与植物生长发育及抗逆作用等生物学过程。该研究综述了已知的植物MAPK级联途径响应非生物胁迫信号转导的最新研究进展。分别在干旱胁迫、极端温度、营养匮乏和盐害等方面进行概述。以期为进一步阐明MAPK级联信号通路的分子调控网络提供一些参考，并为将来选育抗性品种、提高作物产量和农业可持续发展奠定基础。

1 MAPKs响应干旱胁迫

干旱是影响植物生长发育的一个严重的非生物胁迫因素，其造成的作物产量损失甚至比所有病原体伤害加起来还要多。此外，干旱胁迫还会导致渗透胁迫、氧化胁迫、破坏细胞组分，并引起代谢紊乱等次级影响。研究植物如何抵御干旱胁迫，将为筛选优良的抗旱农作物品种和提高农作物产量方面提供帮助。

MAPK激酶级联信号通路在植物的抗旱机制中起着十分重要的作用(图1)。有研究表明，对44个MAPK在不同非生物胁迫下的转录调控分析表明，拟南芥中的9、11、17、18、9和6均受脱水胁迫诱导。拟南芥MPKKK18能够激活MPKK3，18和3超表达后耐旱性得到了增强，而泛素连接酶RGLG1和RGLG2抑制了这一过程，使耐旱性降低。MPK6通过调节RNA解离活性来提高植物对脱水的耐受性。水稻MAPKK10.2能够通过磷酸化激活MAPK6和MAPK3提高水稻的耐旱性。OsMPK17蛋白质在干旱胁迫下诱导表达，且推测其功能受脱落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(JA)等激素调控，超表达17能够显著提升水稻在干旱条件下的生长势。水稻中的DSM1(类似Raf的MAPKKK蛋白)作为活性氧的潜在清除剂，可以提高植物对水分胁迫下脱水的耐力，而突变体1和RNA干扰植物对干旱胁迫更为敏感。ZmMAPKKK18在玉米苗期抗旱过程中起重要作用，表达蛋白定位于叶绿体中，且在干旱胁迫下特异性调节光合作用的光反应阶段、吲哚乙酸生物合成途径Ⅱ、嘌呤核苷酸从头合成途径、产氧光合作用及有氧呼吸I等途径。玉米1超表达促进转基因拟南芥植株对干旱胁迫的耐受力，可增加干旱条件下的脯氨酸含量，降低丙二醛含量。ZmMPK3也是干旱反应基因，提高了玉米的抗旱性。MAPK-like(MPKL)蛋白是一组含有MAPK标志TxY基序的激酶，与MAPK序列相似，ZmMPKL1可能通过改变ABA生物合成和分解代谢基因的转录，维持ABA稳态来正向调节玉米幼苗对干旱敏感性。小麦TaMAPK6(上调)、12；1和16(下调)等3个成员能够应答干旱胁迫。棉花MAPK蛋白激酶GhMPK2在干旱条件下可以减少水分丧失、调节渗透压。属于MAPK中D亚型的棉花16也是干旱反应基因。过表达16，在进行干旱处理后，植物体内HO含量升高，耐旱性则减弱。花生13基因受干旱等胁迫的诱导上调表达。在干旱条件下，马铃薯11明显上调，并通过提高抗氧化活性(SOD、CAT和POD活性，以及过氧化氢、脯氨酸和MDA含量变化)来增强马铃薯植株的抗旱性。此外，MAPK级联反应还参与调控植物和微生物互作从而增强对非生物胁迫的响应，干旱胁迫下，苹果植株和丛枝状菌根中的MAPK均表达上调，推测菌根寄生利用MAPK信号与苹果植株的相互作用，从而增强苹果的耐旱性。

图1 植物MAPK响应干旱胁迫Fig.1 MAPK response to drought stress in plant

2 MAPKs响应盐胁迫

土壤中的盐度会影响到植物的光合作用、蛋白质代谢和脂质的代谢等活动，进而影响到植物的生长发育。高盐浓度还会进一步导致次级胁迫伤害，如离子毒性(主要是Na)、高渗胁迫以及氧化损伤等。相应地，植物也会进化出多种机制来抵御盐胁迫。目前已经有许多研究发现MAPK能介导植物的抗盐胁迫(图2)。

拟南芥中发现了一个MAPK信号通路，是由MKKK1、MKK2和MPK4/MPK6组成。过表达2的植株会表现出更强的耐盐性。拟南芥20突变体对高盐胁迫敏感，在脱水条件下的水分流失率高于野生型(WT)植株，且活性氧(ROS)积累增加。相反，过表达20的转基因植株对盐胁迫表现出耐受性。MPK6激活并与MYB41相互作用，使拟南芥的耐盐性增加。此外，在盐胁迫下，磷脂酸(PA)对MPK6有调节作用，这表明MPK6和PA可能是通过同一信号通路发挥作用的。盐胁迫条件下MKK3-MPK6级联激活拟南芥MYC2(bHLH类转录因子)，通过调节脯氨酸生物合成从而调控盐胁迫抗性。拟南芥愈伤组织受到盐胁迫处理下，MKK9-MAPK3/MAPK6通路在增加替代呼吸中起着关键作用。AtMPK9可被盐胁迫激活，且在体外可以独立于级联而进行自磷酸化作用。在水稻中OsMPK44、OsMPK5和OsMPK4也被证明与抗盐胁迫有关。过表达5和44的水稻转基因株系会表现出更高的耐盐性。在玉米中，1的表达也受到盐胁迫调节，过表达此激酶并用盐胁迫处理，29和51基因表达量上升，而且玉米耐盐性也得到了提高。高盐处理下，小麦4、6和17表达水平逐渐升高，在正常生长浓度下，它们的表达水平降低。而高盐处理下1和16表达水平下降，随着恢复处理的增加，它们的表达水平逐渐增加。桑树1也受盐胁迫诱导，且其拟南芥过表达株系具有更强的耐盐性。

图2 植物MAPK响应盐胁迫Fig.2 MAPK response to salinity in plant

3 MAPKs响应极端温度胁迫

温度对植物的生长发育有很大的影响，植物能够在适合的温度范围内正常生长，一旦超出范围，植物可能就会受到极端温度的胁迫。低温会限制种子萌发、植物生长和新陈代谢。而高温会引起热应激并加速呼吸作用和光合速率，从而使活性氧产量过剩，影响植物生长。近年来，极端天气气候事件频发，这将对作物带来更大的挑战。植物如何抵御极端温度胁迫，也一直是科研工作者们关注的焦点。

植物MAPK响应冷胁迫见图3。在拟南芥中，3、4和6在冷处理后会迅速被激活。植物中MKK4/5-MPK3/6级联的构成性激活会导致基因表达减少，进而降低对冻害的抗性。3和6突变体中基因的表达增加，耐冻性增强，表明MKK4/5-MPK3/6级联负调控冷反应。MPK3和MPK6可以磷酸化ICE1，促进ICE1的降解。MKK1-MKK2-MPK4通路构成性抑制MPK3和MPK6的活性，并在冷反应中发挥积极作用。此外，MAPKKK YDA和2种钙/钙调素调节的受体样激酶(CRLK1和CRLK2)负向调节MPK3/6的冷激活。冷驯化诱导叶绿体结构发生改变，从而保持了光系统PSII的最佳性能。MPK3和MPK6是调控叶绿体形态变化所必需的，其中MPK6在冷驯化过程叶绿体的循环中发挥了作用。硫化氢可以缓解冷胁迫对拟南芥的伤害，这一过程也需要MPK4参与调控冷响应基因的上调表达和抑制气孔打开来完成。在水稻中，3在中等低温(12 ℃)下被激活，而OsMKK6能够磷酸化激活OsMPK3，过表达6转基因植株的耐旱性增强，表明OsMKK6-OsMPK3构成了一个中度低温的信号通路。OsMPK6能够磷酸化激活WRKY45(调控水杨酸介导的强防御信号传导的中枢转录因子)，从而增强植物的抗寒性。低温诱导的水稻硫氧还蛋白OsTrx23在体外对应激激活的OsMPK3和OsMPK6具有抑制活性，且这种抑制作用依赖于氧化还原反应。玉米1在烟草中的异源表达能够提高抗氧化酶活性、渗透调节物质的积累以及ROS相关基因和应激响应基因的表达，增强烟草抗寒能力。过表达4，植物的低温胁迫标记基因的表达上升，而过表达17，植物的可溶性糖和脯氨酸含量上升，进而增强对低温胁迫的抗性。冷驯化诱导的番茄耐寒性与硝酸盐还原酶(NR)依赖的NO产生和丝裂原活化蛋白激酶MPK1/2的激活有关。NR的沉默降低了MPK1/2的活性，1和2的共同沉默减弱了NR依赖的NO的产生和冷驯化诱导的低温耐受性。在菊花叶片中，2、3、5、9、1、31、32、42、6、91、92、13、16和18受低温胁迫诱导，上调表达。

图3 植物MAPK响应冷胁迫Fig.3 MAPK response to cold stress in plant

植物MAPK响应热胁迫见图4。拟南芥热休克因子A4A(HSFA4A)是由盐、高温和这些条件的组合诱导的，它可以被MPK3、MPK4和MPK6磷酸化。在热休克(HS)处理后，MPK6的活性增加，且负责激活液泡加工酶γVPE，这一过程在HS诱导的程序性细胞死亡中起重要作用。棉花GhMAP3K65可通过热胁迫等多个信号分子诱导转录，沉默365能够增强棉花对热胁迫的抗性。热胁迫抑制番茄3的相对表达，与野生型相比，CRISPR/cas9介导的3突变体表现出更强的热胁迫耐受性，说明SlMAPK3是热胁迫的负调控因子。且抗氧化酶、编码热应激转录因子(HSFs)和热休克蛋白(HSPs)参与了SlMAPK3介导的番茄热应激反应。在菊花叶片中，9、41、6和13受高温胁迫诱导上调表达，而2、3、5、1、91、92、16和18在高温胁迫后均表现为表达量降低。桑树1受热胁迫诱导，而其拟南芥过表达株系对热胁迫的敏感性增强。

4 MAPKs响应营养匮乏

营养元素缺失会严重影响植物的生长发育和新陈代谢。环境土壤中有效营养元素含量相对匮乏，在生产上不得不通过大量施用化肥来提高产量，这势必会引起一系列的污染问题。植物会感知土壤中营养元素的浓度来调控相应的通道蛋白或转运子，或增强根系系统，以吸收更多的营养物质。营养信号方面的研究，如磷酸盐、硝酸盐信号和钾稳态，近年来取得了重大突破。已有研究表明，MAPK级联信号通路与这些营养信号之间有着千丝万缕的关系。因此，探讨植物对营养匮乏的应答和信号转导对培育耐瘠薄的优良作物具有重要的参考价值。植物MAPK响应营养匮乏见图5。

磷、氮和钾是植物生长发育所必需的三大营养元素。磷是核酸和膜脂的组成成分之一，并且作用于能量代谢和信号转导等生命活动。已有许多有关磷胁迫响应相关的研究。拟南芥中，9、3和6受到低磷胁迫的诱导，3和6突变体的磷吸收速率均降低，磷含量低于野生型。

图4 植物MAPK响应热胁迫Fig.4 MAPK response to heat stress in plant

图5 植物MAPK响应营养匮乏Fig.5 MAPK response to nutrition deprivation in plant

而MKK9持续激活突变体，能够提高磷吸收速率，增加磷含量。MKK9能够激活下游的MPK3和MPK6，通过诱导75上调表达，进而调控磷吸收和低磷响应相关基因的表达。在低磷胁迫条件下，小麦7、4和9基因表达上调，1、3、6、12、14、16和17表达量下调。进一步研究发现，TaMPK4能够增强清除活性氧的能力、植株长势和干鲜重，提高植物抵御逆境胁迫的能力。此外，TaMPKK3能够调控小麦响应低磷胁迫，在低磷条件下，3基因表达量上调，复磷处理后回降至初始值。超表达3的烟草株系磷素累积量显著增多，光合作用提高，整体生长势增强。除表达上的差异之外，磷酸化修饰在调节植物体内磷酸盐平衡方面也具有重要意义。磷饥饿条件下，水稻根中有4个MAPK蛋白激酶的磷酸化水平降低，包括OsMPK6。而磷充足条件下，OsMPK6突变体导致了磷酸盐的积累量增加。表明OsMPK6在水稻磷饥饿诱导过程中可能通过改变磷酸化水平的方式行使关键作用。氮素是蛋白质和核酸的重要组成成分，也是许多辅酶、辅基、叶绿素分子以及一些植物激素和维生素的基本构成组分。钾离子在渗透调节、气孔运动、膜极化控制、蛋白质生物合成和同化产物运输等诸多生理过程中起着至关重要的作用。然而，MAPK级联信号转导通路在低氮和低钾胁迫下的研究相对较少。在小麦中，氮匮乏响应的MAPK级联基因有5个：1个MAPKKK基因(；3)和4个MAPK基因(6、12；1、14和16)，在低氮胁迫下均被下调。钾缺乏条件下，钾转运体HAK5与整合素连接激酶ILK1(RAF类MAPKKK)相互作用，且均能够促进植物在钾受限情况下生长，因此ILK1可能是植物防御途径和钾稳态之间的连接点。

除大量元素外，也有研究表明MAPK级联信号通路也会受微量元素胁迫诱导。拟南芥中，铁缺乏会诱导36，通过ACC合成酶(ACS)的积累来刺激乙烯(能够调控缺铁反应基因的转录)的产生。ACS2/6均被证明是MKK4/MKK5-MPK3/6级联的直接靶点。此外，MPK3/6还可以通过磷酸化激活33转录因子进而转录激活基因。小麦；受Cu、Mn、Zn、Zn、Mo胁迫的抑制，；3受Cl和B胁迫抑制，；1也受Cl胁迫抑制，6、4、4受Cu、Zn和Mo胁迫的抑制；3被Zn、Mo和B胁迫诱导，TaMPK4分别被Zn、Mo和B胁迫抑制；而3也被Cl胁迫诱导；9被Fe胁迫抑制，被Zn和Cl胁迫诱导；17被Mn、Mo和B胁迫抑制。

5 MAPKs响应其他非生物胁迫

除上述非生物胁迫中MAPK级联信号通路起着至关重要的作用外，在其他非生物逆境条件下，MAPK也具有不容忽视的地位。损伤胁迫下，激酶信号通路MPK3/MPK6级联反应通过在转录水平上对4个基因(2、6、7和8)的差异调控，来参与乙烯生物合成。6空等位基因能够抑制显性2(受体类细胞壁结合激酶)突变的影响，这一过程也与细胞壁的改变和机械损伤相关。水稻4基因的表达是由机械损伤处理诱导的，其过表达株系的生长势缓慢，表明OsMPK4是水稻生长的负调控因子。烟草NtMPK4与其他2种损伤反应性MAPK(WIPK和SIPK)一起被损伤激活。在NtMPK4活性抑制的烟草中，机械损伤诱导的茉莉酸(JA)应答基因表达也受到抑制。而4沉默的植物对臭氧的敏感性增强，是由于ABA独立的气孔关闭异常调控引起的。在紫外线、重金属和机械损伤下，玉米3表达量均表现出迅速显著的积累。番薯中，机械损伤降低了磷酸化的p38类MAPK的积累量，刺激了HO的产生，进而诱导了防御蛋白肌磷脂(IPO)的表达。拟南芥突变体6通过抑制ROS及缓解其产生的氧化胁迫来增强对镉胁迫的耐性。镉胁迫还通过诱导玉米根系活性氧来激活ZmMPK3-1和ZmMPK6-1。铝胁迫处理可激活小麦体内MAPKs级联信号通路(MAPK12和MAPK14)，从而促使小麦分泌苹果酸等一系列的生理反应对抗铝胁迫。

6 展望

截至目前，MAPK级联途径在植物中的研究已经取得了长足的进展，并形成很多科研成果。如在研究植物受到胁迫伤害时，MAPK级联途径在其中发挥怎样的作用，植物的抗逆机制是如何产生及运行等。但目前我们对MAPK级联途径中很多蛋白激酶的功能还没有掌握，特别是MAPKKK和MAPKK相关激酶在未来也应当深入研究。植物MAPK级联蛋白激酶家族成员众多，可以组合形成上千种不同的MAPK级联通路，从而迅速响应多种逆境胁迫。现在已经了解到，一种刺激一般都是需要多种级联共同参与的，所以多种途径之间以及级联途径之中，各级成员间的相互关系以及这些级联途径之间是如何协同行使功能和相互串扰的，又是如何保持信号特异性，仍需大量的研究才能探索清楚。同样，由于外部刺激比较多样而植物本身的MAPK资源又是有限的，一种级联途径往往也会在多种刺激反应中发挥作用。这些代谢网络中，通常是通过磷酸化作用串联的，但是有关磷酸化作用及磷酸化关键位点的研究还相对较少，亟待更深一层研究。

目前在拟南芥及重要的粮食作物中已开展了丰富的研究，并取得了重大的进展，然而在一些园艺作物中的研究还有待开展。此外，有关不同的非生物胁迫，仍有许多未解之谜。如涝害下MAPK信号转导通路的研究较少。低磷胁迫会激活MAPK级联信号通路，但低氮和低钾胁迫条件下，MAPK蛋白激酶的作用研究较少。随着环境污染的加剧，环境中有害气体和土壤中的有害金属等污染物同样会损害植物，影响植物的生长发育，有关方向的研究也迫在眉睫。

因此，探索植物MAPK级联信号途径在响应非生物胁迫中的关键作用和调控网络，势必对阐明植物防御机制，挖掘优异种质资源具有至关重要的意义。